（植物学专业论文）拟南芥osr家族基因的表达模式分析及osr2参与干旱胁迫反应的实验证据.pdf

中文摘要 实验室前期工作证明拟南芥基因组中存在一个与细菌小电导机械敏感通道基因( m s c s ) 有较 高同源性的基因家族，该家族有1 0 个成员。根据该类基因在细菌响应渗透胁迫中的功能以及拟 南芥该基因家族中部分成员的表达受高渗胁追诱导的特点，将拟南芥该家族基因命名为a t o s r ( o s m o t i c s t r e s sr e s p o n s i v e ) 家族。本论文工作在进一步对该家族成员受高渗诱导表达模式分析 研究的基础上，对其中o s r 2 参与植物响应高渗和干旱胁迫反应的功能进行了分析研究。 首先利用生物信息学手段分析了o s r 家族基因启动子区域可能的作用元件。以及这些基因在 拟南芥中的表达与逆境胁迫的关系。数据库分析结果显示o s r 家族基因的表达总体较弱，其中 o s r 2 、o s r 3 和o s r 4 的表达受高渗和高盐处理诱导，而o s t o 的表达受高渗和高盐处理抑制。 利用p r o m o t e r ：g u s 融台基因分析了o s r 家旗l o 个基因在拟南芥不同发育时期和各个器官的表 达情况，发现o s r 家族基因在保卫细胞中都有一定程度的表达并且o s r 2 表达受渗透胁迫诱导。 同时用r t - p c r 方法分析了基因在转录水平的表达特点。 对o s r 家族基因的t - d n a 插入纯合突变体进行表型分析的结果表明，该家族中有4 个基因 的突变体表现出对干旱胁迫敏感的性状，包括在干早胁迫处理下较早萎蔫、复水后生存率较野生 型低等。对其中两个基因( o s r 2 和o s r 9 ) 突变体表型的进一步分析表明，o s r 2 和o s r 9 突变体 ( t - d n a 插入突变体) 离体叶片的失水速率显著快于野生型，o s r 2 和o s r 9 突变体在高渗和高盐 胁追条件下气孔不能正常关闭。利用r t - p c r 方法分析了o s r 2 基因转荣水平的表达，结果显示 浚基因的表达受高渗和干旱胁迫诱导。o s r 2 基因p r o m o t e r ：g u s 转基因t 3 代纯合单拷贝株系保 1 1 细胞在正常和渗透处理下的g u s 染色结果也证实基因表达受渗透诱导。对o s r 2 突变体的转基 f 司恢复株系( o s r 2 ：o s r 2 ) 的表型和气孔开度分析结果表明，恢复突变转基因株系在干旱胁迫下 的表型和气孔开度反应与野生型植株一致。 综合上述实验结果认为。o s r 2 和o s r 9 通过参与叶片气孔响应干旱和高渗胁迫的反应过程 而调控拟南芥植株在干旱和渗透胁迫条件下的体内水分状况。进一步推测o s r 2 可能与干旱和高 渗胁迫下叶片气孔保卫细胞的溶质跨膜运输调节相关。论文工作为拟南芥o s r 家族基因产物参与 植物渗透胁迫反应提供了实验证据并提示该家族基因产物在植物细胞中执行与细菌中同源基因 产物相似的功能。 关键词：拟南芥，o s r 家族基因，渗透胁迫，干早胁迫，气孔保卫细胞 i l l 中国农业大学博士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t t h ep r e v i o u sw o r kh a sd e m o n s t r a t e dt h a t , i na r a b i d o p s i sg e n o m e ，t h e r er r e1 0g e n e s ，n a m e da s o s r ( o s m o t i c s t r e s sr e s p o n s i v e ) f a m i l yg e n e s ，t h a ta f eh i g h l yh o m o l o g o u st ot h em s c s ( m e c h a n o s e n s i t i v ec h a n n e lw i t hs m a l lc o n d u c t a n c e ) g e n ef a m i l yi nb a c t e r i a t h em s c sp l a y sc r i t i c a l r o l ei nb a c t e r i a lc e l ls u r v i v i n go s m o t i cd o w n s h i i t , w h i c hs u g g e s tt h a to s r si n a r a b i d o p s i sm a yp l a y s i m i l a rr o l e si nr e s p o n s e st oo s m o t i co rd r a u g h t 蚰镪s t h ef o c u s e so f t h i sd i s s e r t a t i o nw o r ki n c l u d e ( 1 ) a n a l y z i n ge x p r e s s i o np r o f i l e so f o s rg e n e si nd i f f e r e n tt i s s u e sa n do r g a n sa n du n d e rv a r i o u so s m o t i c s t r e s s e s ，a n d ( 2 ) i d e n t i f y i n gp a r t i c u l a ro s rg e n e si n v o l v e di np l a n tr e s p o n s e st od r a u g h ts t r e s sa n d c h a r a c t e r i z i n gt h e i rp h y s i o l o g i c a lo rb i o c h e m i c a lf u n c t i o n s b a s e do nt h er e l e a s e da r a b i d o p s i sc d n am i c r o a r r a yd a t a , t h ee x p r e s s i o np r o f i l e so f1 0a t o s r g e n e si nd i f f e r e n tt i s s u e sa n do r g a n s w e l la su n d e rv a r i o u ss t r e s s e sw e r ea n a l y z e d t h er e s u l t s s u g g e s t t h a t t h ee x p r e s s i o n l e v e lo f a l l a t o s r g e n e s i s r e l a t i v e l y l o w a l t h o u g hs o m e o f t h e ms h o w e d s i g n i f i c a n te x p r e s s i o ni np a r t i c u l a rt i s s u e so rc e l lt y p e s ( s u c ha si ns t o m a t a lg u a r dc e l l s ) u n d e ro s m o t i c o rs a l ts t r e s s e s t h ee x p r e s s i o no f 3o s rg e n e s ，i n c l u d i n go s r 2 ，o s r 3a n do s r 4 ，w a se n h a n c e d ，w h i l e t h a to f a n o t h e rg e n eo s r 9w a si n h i b i t e db yo s m o t i cs t r e s sa n dh i g hs a l i n i t yt r e a t m e n t s b yc o n s t r u c t i n g o s r - p r o m o t e r ：g u st r a n s f o r m e da r a b i d o p s i sl i n e s ，t h ee x p r e s s i o np a t i e m so f1 0o s rg e n e sw e r e a n a l y z e di nd i f f e r e n tp l a n to r g a n sa tv a r i o u sd e v e l o p m e n t a ls t a g e su s i n gx - g l u es t a i n i n gm e t h o d s t h e r e s u l t s r e v e a l e d t h a t a l l o s r g e n e s e x p r e s s e d i ns t o m a t a l g u a r dc e l l sa n d t h ee x p r e s s i o n o f o s r 2 9 e n e s i ns t o m a t a g u a r dc e l l sw e r es i g n i f i c a n t l yi n d u c e db yo s m o t i cs t r e s s t h ep h e n o t y p e s o f t - d n ai n s e r t i o n m u t a n t s o f o s r g e n e s w e r es c r e e n e d u n d e r d i f f e r e n t a b i o t i c s t r e s s e s ，a n dt h em u t a n t sf o r4o s rg e n e sw e r ef o u n dt ob em o r es e n s i t i v et od r o u g h ts t r e s st h a nw i l d t y p ep l a n t s t w om u t a n t s ( o s r 2a n do s r 9 , r e f e r r i n gt og e n e so s r 2a n do s r 9 , r e s p e c t i v e l y ) w e r e s e l e c t e df o rf u r t h e rg e n ef u n c t i o nc h a r a c t e r i z a t i o n u n d e ro s m o t i ca n ds a l i n es h e s s e s t h ew a t e rl o s s r a t e so f e x c i s e dm u t a n tl e a v e sw e r es i g n i f i c a n t l yg r e a t e rt h a nt h a to f w i l d - t y p op l a n t s i nc o n s i s t e n tw i t h t h i sr e s u l t , s t o m a t a lc l o s u r eo f t h em u t a n t su n d e ro s m o t i co rs a l i n es t r e s sw a sd e c r e a s e dc o m p a r e dt o w i l d - t y p ep l a n t s t h ei n c r e a s e dw a t e rl o s sa n dd e c r e a s e ds t o m a t a lc l o s u r eu n d e rw a t e rs t r e s sm a yw e l l e x p l a i nt h ei n c r e a s e ds e n s i t i v i t yo f t h em u t a n t st oo s m o t i co rw a t e rs t r e s s t h er t - p c re x p e r i m e n t s s h o w e dt h a tt h et r a n s c r i p t i o n a le x p r e s s i o no f o s r 2w a s s i g n i f i c a n t l ye n h a n c e db yo s m o t i ca n dd r o u g h t s t r e s s f u r t h e r m o r e ，t h et r a n s g e n i cc o m p l e m e n t a r yl i n e so f o s r 2m u t a n t ss h o w e ds i m i l a rp h e n o t y p ea n d s t o m a t a lr e s p o n s e sc o m p a r e dt ow i l d - t y p ep l a n t su n d e rs a l to ro s m o t i cs t r e s s i ns u m m a r y , t h i ss t u d yi n v e s t i g a t e dt h ee x p r e s s i o np a t t o m so f a t o s r f a m i l yg e n e si nd i f f e r e n t t i s s u e so ro r g a n s ，a tv a r i o u sd e v e l o p m e n t a ls t a g e s ，a n du n d e rw a t e ro ro s m o t i cs t r e s s t h er e s u l t s s u g g e s tt h a ts o m e o s r sm a yi n v o l v ei np l a n tr e s p o n s e st oo s m o t i co rw a t e rs t r e s s t h ei n v o l v e m e n to f o s r 2a n do s r 9i np l a n tr e s p o n s e st ow a t e ra n do s m o t i cs t r e s s e sw e r ef u r t h e rc h a r a c t e r i z e d t h e 中国农业大学博士学位论文英文摘要 g e n e t i ca n dp h y s i o l o g i c a lr e s u l t si n d i c a t e dt h a to s r 2p l a yi m p o r t a n tr o l e si np l a n tr e s p o n s e st ow a t e r a n do s m o t i cs t r e s s e s , m o s tl i k e l yv i ar e g u l a t i o no f s t o m a t a lm o v e m e n t k e yw o r d s ：a r a b i d o p s i st h a l i a n a ，o s rg e n ef a m i l y , o s m o t i cs t r e s s ，d r o u g h ts t r e s s ，s t o m a t a lg u a r dc e l v 英文缩写 a b a a b r c a m p a m p l b a c b l a s t b s a c0 1 c 1 1 a b d e p c e b d t a e f e s t g f p g u s h y g i p t g k a l l l p l i m e s m l p s m s c m s c l m s c m m s c s n a s c n c b i o s r p a g e p e g i r p l a c e 英文缩写表 英文名称 a b s e i s i ca c i d a r a b i d o p s i sb i o l o g i c a lr e s o u r c ec e n t e r a m p i c l l i n a r a b i d o p s i sm e m b r a n ep r o t e i nl i b r a r y b a c t e r i a la r t i f i e i a lc h r o m o s o m e b a s i cl o c a la l i g n m e n ts e a r c ht o o l b o y i n es e r u ma l b u m i n a m b i d o p s i sw i l dt y p ec o l u m b i a c e t y l t r i m e t h y la m m o n i u mb r o m i d e d i e t h y lp y r o e a r b o n a t e e t h i d i u mb r o m i d e e t h y l e n e d i a m i n et e t r a a c e t i ca c i d e l o n g a t i o nf a c t o r e x p r e s s e ds e q u e n c et a g g r e e nf l u o r e s c e mp r o t e i n p - g l a c o r o n i d a s e h y g r o m y c i n l s o p r o p y l t h i o 一1 3 - o - g a l a e t o p y r a n o s i d e k a n a m y c i n l o w p h o s p h o r u s t o l e r a n c e ( m u t a n t n o 1 ) 2 ( n m o r p h o l i n o ) e t h a n e s u l f o n i aa c i d m u n i c hi n f o r m a t i o nc e n t e rf o rp r o t e i ns e q u e n c e s m e c h a n o s e n s i t i v ec h a n n e l m e e h a n o s e n s l t i v ec h a n n e lo f l a r g ec o n d u c t a n c e m e c h a n o s e n s i t i v ec h a n n e lo f m i n ic o n d u c t a n c e m e c h a n o s e n s i t i v ec h a n n e io f s m a l lc o n d u c t a n c e n o t t i n g h a ma r a b i d o p s i ss t o c kc e n t e r n a t i o n a lc e n t e rf o rb i o t e c l m o l o g yi n f o r m a t i o n o s m o t i cs t r e s sr e s p o n s i v e p o l y a c r y l a m i d eg e le l e c i x o p h o r e s i s p o l y e t h y l e n eg l y c o l p o l y m e r a s ec h a i nr e a c t i o n p l a n tc i s - a c t i n gr e g u l a t o r yd n ae l e m e n t s v i 中国农业大学博士学位论文英文缩写表 r i f 疆n a r t - p c r r w c s d s s o d t a i r r j g r 。r r i s x g l u c r i f a m p i n r i b o n u c l e i ca c i d r e v e r s et r a n s c r i p t a s ep c r r e l a t i v ew a t e l c o n t e n t s o d i u md o d e c y ls u l f a t e s u p e r o x i d ed i s m u t a s e t h ea r a b i d o p s i si n f o r m a t i o nr e s o u r c e t h ei n s t i t u t ef o rg e n o m er e s e a r c h t r i s h y d r o x y m e t y l a m i n o m e t h a n e 5 - b r o m o - 4 - e h l o r o - 3 i n d o l y lg l u c u r o n i d 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 研究生签名：7 量啦 时间：6 年，月g 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、 传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名： 考嘧2 时间：a 佃年，月舌日 导师签名： 时间：年月 日 中国农业大学博士学位论文 第一章文献综述 1 1 引言 第一章文献综述 干旱是一个世界性问题，是植物生存遇到的主要逆境因子之一，也是许多地区农业发展的瓶 颈，其对世界作物产量的影响，在诸多自然逆境因子中占首位，所导致的危害相当于其它箨种危 害之和( b o y c r ，1 9 8 2 ) 。全球干旱半干旱地区遍及5 0 多个国家和地区，总面积约占陆地面积的 3 5 ，全球8 5 的耕地靠自然降水维持农业生产，4 2 9 的耕地位于干旱半干早地区，而且世界干 旱半干早现象还日趋严重( 侯中田和唐德富，1 9 8 4 ：陈万金和信乃诠，1 9 9 4 ) 。我国干旱、半干 旱地区约占国士面积的5 2 ，全国多年干旱平均受灾面积2 1 1 4 万h m 2 ( 李茂松等，2 0 0 3 ) 平均 每年因干旱损失粮食2 0 0 亿k g 以上，占全国粮食损失总量的5 0 ( 高育峰，2 0 0 3 ) 。保护和改善 生态环境，缓解水资源严重不足，是这些地区开发建设和实施可持续发展战略必须首先研究和解 决的重大课题( 邓振镛等，2 0 0 4 ) 。 发展旱地农业和合理使用有限的水资源己成为全球关注的热点，冈而对干旱问题的研究也得 以不断深入。利用植物基因工程技术，克隆并转化抗旱基因，使其在目标植物中表达，可以加快 抗旱新品种的选育。然而，这显然需要对抗早基因的表达与调控机制有深入的了解。 在干旱胁迫条件下。植物会特异地表达一些基因，通过研究这些基因，可能发现植物对干旱 胁迫的适应及抵御机理，并为通过基因工程改造植物抗旱性提供理论基础。分离这些基因、明确 其在植物抗旱性中所起的关键作用，将有助丁我们深入了解植物抗旱性的分子机理，使得在分子 水平上操纵植物，提高植物对干早胁迫的抵抗能力成为可能。近年来，国内外很多科学家在干旱 胁追诱导基因表达、基因调控以及信号转导等方面做了人量的t 作。然而植物抗旱是一个极其复 杂的生理过程，受多基因控制。在干旱胁迫环境下植物会产生复杂的生物化学和生理学上的响 应，而引起这些响应的分子机制至今尚未完全阐明。因此，进一步弄清植物抗干旱胁迫响应的分 子机制，进而培育出高效抗旱植物新品种，仍需要生物科技工作者做出持续艰辛的努力。 1 2 植物适应干旱胁迫的机理研究 干旱胁迫( 又叫水分亏缺) 是指植物正常生长和完成生活史所需的充足水分供应的缺乏。干 旱，低温，土壤盐渍化，病害侵染，机械伤害等都可以诱发植物的生理性缺水胁迫。在自然条件 f ，高盐和干旱是导致植物水分缺乏的主要原因。大多数植物遭受干早胁迫后各个生理过程都会 受到不同程度的影响。 1 2 1 干旱对植物生长的危害 几乎所有植物的活动都直接或间接受干旱引起的水分亏缺的影响。水分亏缺严重干扰了植物 的生长和发育，引起作物减产。干旱对植物的伤害主要有： 中国农业丈学博士学位论文 第一章文献综述 1 1 缺水胁迫 干旱对植物造成的伤害首先是水分供应不足植物细胞严重缺水影响植物正常的生命活动。 水分号缺促进了细胞膨压的降低，进而导致植物萎蔫，引起生长速率下降，茎和叶的延伸生k 减 漫，气孔运动减弱( b l a t t ，2 0 0 0 ；g r i f f i t h s 和p a r r y ，2 0 0 2 ) 。 2 1 氧化胁迫 许多环境胁迫包括水分亏缺都会造成氧化胁迫即生物体内活性氧，如过氧化物、过氧化氢 的积累( x i o n g 等，2 0 0 2 ) ，细胞结构遭到破坏( s m i m o f f , 1 9 9 3 ) 。 活性氧对细胞的伤害主要有：与酶的巯基或色氨酸残基反应，导致酶活性的丧失：破坏核酸 结构，攻击核酸碱基，使嘌呤碱和嘧啶碱结构变化，导致变异的出现或积累；对d n a 复制造成损 伤从而妨碍蛋白质的合成；启动膜脂过氧化连锁反应，使维持细胞区域化的膜系统受损或瓦解 ( a l v a r e z 等，1 9 9 8 ) 。 3 ) 光合代谢受抑制 植物光合过程对水分亏缺非常敏感，干旱胁迫i - 作物产量降低的主要原因是光合作用降低。 水分亏缺限制许多光合碳代谢过程( t e z a r a 等，1 9 9 9 ；g r i f f i t h s 和p a r r y ，2 0 0 2 ；l a w l o r ，2 0 0 2 ；l a w l o r l l c o m i c ，2 0 0 2 ：c h a i t a n y a 等，2 0 0 3 ) 。中度干旱胁迫常导致光台强度下降，而极度干旱胁迫则 完全抑制光合过程。对于耐脱水胁迫的植物而言，能够在复水后迅速修复光合细胞器的物理特性 是至关重要的( g o d d e 。1 9 9 9 ) 。 1 2 2 植物适应干旱胁迫的生理机制 在干早( 缺水) 胁迫下，植物可能在植株整体、器官组织、细胞乃至分子水平作出反应 ( o r e e n w a y 和m u n n s ，1 9 8 0 ；z h u 等，1 9 9 7 ；y e o ，1 9 9 8 ：b o h n e r t 等，1 9 9 8 ：h a s e g a w a 等，2 0 0 0 ) 。 植物通过形态发育的改变( 如改变生命周期，地上部生长受抑而根系生长得以加强) 、调节生化 和代谢( 如碳代谢、相应溶质的合成) 过程应对干旱( b r a y ，1 9 9 7 ：k r o g e r 等，2 0 0 2 ) 。 植物的抗旱机制主要有三种方式；避早性、耐早性和干旱逃避( t u r n e r ，1 9 8 6 ：c h a v e s 等 2 0 0 3 ) 。避旱性是指植物维持组织高含水量的能力。在用词上避早性并没有得到统一，有人主张 用脱水延迟代替避旱性。植物的避早性有两种机制，一是降低蒸腾节约用水；二是利用发达的根 系大量吸收土壤水分来保持植物组织的高含水量。耐旱性是指植物在脱水情况下维持一定功能或 生存的能力是植物在低含水量下的抗性。也有学者用脱水耐性来代替耐旱性。植物的第三种抗 旱方式，干旱述避是指植物在湿润季节完成生活周期植物自身并不经受干旱而是通过发育时期 的调整避免干旱敏感阶段遭遇干早胁迫，也可称为干旱逃避。 1 1 植物形态和发育结构的变化 植物在遭遇干旱等胁迫时通过降低叶片的伸展，关闭气孔等反应来保持存活所需的水分，同 时尽量维持根系的生长以持续获得水分。植物可以通过器官或组织形态结构的特殊改变，如特定 1 片表面的发育、减少叶面积、气孔凹陷或增加根长等，来达到耐早的目的。缺水条件下，植物 通过降低叶的生长速率和使老叶脱落等途径来减少叶面积，有效地降低蒸腾失水( 孙梅霞，2 0 0 4 ) 。 2 中国农业大学博士学位论文 第一章文献综述 2 ) 去( 抗) 氧化作用 植物通过进化形成了一系列的抗氧化系统，避免自由氧的破坏。在胁追条件f 超氧化物岐化 酶( s o d ) ，抗坏血酸过氧化物酶( p o d ) ，谷胱苷肽硫转移酶( g s t ) 和谷胱苷肽过氧化物酶 ( g s h p x ) 等出现积累。超氧化物岐化酶( s o d ) 在抗氧化中起重要作用，它可以催化岛歧化 成h 2 0 2 。h 2 0 2 进而被c a t 和p o d 破坏( s c a n d a l i o s 1 9 9 3 ) 。抗氧化抵御系统的能力也决定了细 胞是否能够维系功能还是经受光埠【化胁迫的命运( f o y c r 等，1 9 9 4 ) 。在干旱胁迫f ，同一植株 不同部位的叶片发育可能形成不同的抗氧化反应系统( j u n g ，2 0 0 4 ) 。 渗透物质的合成和渗透调节 水分亏缺引起植物剧烈的生理和生化变化，开始于细胞水平渗透势的改变( b a j a j 等。1 9 9 9 ) 。 植物通过积累低分子量的有机物质和合成不同的渗透保护物质，如：糖、多羟基化合物、甜菜碱、 脯氨酸、四铵或三硫化合物( g o t h a m 等，1 9 8 5 ；d e l a u n e y 和v e r m a ，1 9 8 5 ；r h o d e s 和s a m a r a s ，1 9 9 4 ： h o n g 等，2 0 0 0 ) 等，从而保证水分流入，恢复细胞的外向膨压，维持细胞的生长。渗透保护物质 的积累有助于维持干旱胁迫下的渗透平衡和细胞正常的生化反应( b r a y 等，2 0 0 0 ，r a m a n j u l u 和 b a r r e l s ，2 0 0 2 ) ，提高植物对渗透胁迫的耐性( k i s h o r 等，1 9 9 5 ) 。 在一些主要作物中，干旱耐性依赖于渗透调节( l i l l e y 等，1 9 9 6 ；t e u l a t 等，1 9 9 7 ；b a i i i 等， 2 0 0 0 ；2 0 0 1 ) 。在极度水分亏缺条件下强的渗透调节能力有助于维持植物细胞膨压和体积。有研 究者利用转基因植物( 积累高浓度的脯氨酸，甜菜碱或松醇) 证实了渗透保护物质在渗透调节方 面的有效性( k i s h o r 等，1 9 9 5 ；s h e v e l e v a 等，1 9 9 7 ；t a k a b e 等1 9 9 8 ) 。 舢水孔蛋白调节 水孔蛋白是推动水分顺跨膜水势梯度转运的类复杂的通道蛋白，是细胞水分转运的重要组 分( m a u m l 和c h r i s p e e l s ，2 0 0 1 ；a h a r o n 等，2 0 0 3 ) 。植物具有很大的水孔蛋白家族，在拟南芥中 共有3 8 个水孔蛋白异构体被确认( j o h a n s o n 等。2 0 0 1 ；c h a u m o n t 等，2 0 0 1 ) 。水孔蛋自在调节植 物水分运输中具有重要作用，可与不同的生理过程发生联系，比如气孔关闭和开放，器官运动， 细胞延长和胁迫反应等( l u u 等，2 0 0 5 ) 。 有证据显示水孔蛋白参与植物对水分胁迫的反应，水孔蛋t q 在干旱胁迫下植株水分状况调节 中的作用是复杂的，特异的水孔蛋白可能具有特异的调控机制和与其它分子的特异关系。不同的 水孔蛋白在胁迫下表现不同的调节方式( g u e r r e r o 等，1 9 9 0 ：s c l ：l 菹f f n e r ，1 9 9 8 ；p 0 0 1 m a n 和g l a a s k e r ， 1 9 9 8 ；b r a y ，2 0 0 4 ；y u 等，2 0 0 5 ) 。关于水孔蛋白在水分胁迫中的功能有两种相反的观点。其中 一种观点认为水孔蛋白表达水平的增加有助于植物耐早能力的提高( c a l a m i t a 等，1 9 9 6 ；b o o t h 等， 1 9 9 4 ) ，该观点是建立在一些质膜和液泡膜水孔蛋白在干旱胁迫r 被诱导或激活的实验证据基础 上的( j o h a n s o n 等，1 9 9 6 ；j o h a n s o n 等，1 9 9 8 ；y u 等，2 0 0 5 ) ，如拟南芥r d 2 8 ( y a m a g u c h i s h i n o z a k i 等，1 9 9 2 ) 和番茄成熟相关膜蛋白( t r a m p ) ( f r a y 等，1 9 9 4 ) 。另一个观点则认为在干旱过程 中植物通过下调一些水孔蛋白防止过度失水( y a m a d a 等，1 9 9 5 ：s m a r t ，等，2 0 0 1 ) 。 鲫气孔行为调节 气孔是陆生植物为适应陆地环境而进化形成的重要结构( r a v e n ，2 0 0 2 ) ，是由一对保卫细 中国农业大学博士学位论文 第一章文献综述 咆围绕形成的孔，在控制气体交换尤其是二氧化碳的吸收和水分的蒸腾散火上具有非常重要的作 州( w i l l m e r 和f r i c k e r ，1 9 9 6 ；j o n e s 等1 9 9 8 ，2 0 0 3 ；s a l l e o 等，2 0 0 0 ；h e t h e d n g t o n 和w o o d w a r d ， 2 0 0 3 ：v a v a s s e u r 和r a g h a v e n d r a ，2 0 0 5 ) 。气孔对全球水分和二氧化碳循环具有重要贡献，据估 计每年有4 4 0 x 1 0 ”l c g 二氧化碳和3 2 1 0 ”k g 水蒸汽经过气孔进行交换( c i a i s ，1 9 9 7 ；j a c k s o n 等， 2 0 0 1 ) 。气孔周围的非气孔结构一表皮细胞对气孔运动和植物与大气的气体交换也是必需的( s e m a 目i f e n o l l ，2 0 0 0 ) 。 气孔开度的调节对于植物抵御干旱胁迫具有重要意义。气孔开度大小受围绕气孔的保卫细胞 控制( h e t h e r i n g t o n 和w o o d w a r d ，2 0 0 3 ；b l a t t ，2 0 0 0 ：b u e k l e y ，2 0 0 5 ) 。在干旱胁迫下，植物 通过控制气孔开度防止水分过度散失。当水分亏缺时，气孔对水压和化学信号做出反应。水压信 号涉及木质部压力势变化和保卫细胞与其它表皮细胞水分含量的变化( b l a e k m a n 和d a v i e s ，1 9 8 5 ： t a r d i e u 和d a v i e s ，1 9 9 3 ；w h i t e h e a d ，1 9 9 8 ；t h o m a s 和e a m u s ，1 9 9 9 ) 。大量水分和离子流经保卫 细胞和邻近的表皮细胞引起膨压变化，随着这种渗透驱动的膨压的漂移，细胞体积和表面积发生 变化，形状改变，从而促使气孔开放或关闭( s e m a ：手【i f e n o l l ，2 0 0 0 ：r o e l f s e m a 和h e d r i e h 2 0 0 5 ： t a n a k a 等，2 0 0 5 ) 。早期的研究表明，在很多物种中，当植株大多数叶片水势达到o 时气孔关闭 ( k u s a k a 等2 0 0 5 ) 。在一些物种中引起气孔关闭的大多数叶片水势低于0 ( b e a d l e 等，1 9 7 8 ；j o n e s l l r a w s o n 1 9 7 9 ) 。当遭遇干旱胁迫时，保卫细胞中溶质增加，钾盐积累，水分进入细胞，引起 细胞膨压增加，气孔开放。相反的，水分流山。膨压丧失，气孔关闭( w i l l m e r 和f r i c k e r ，1 9 9 6 ： k u b i b e h e c k 等，2 0 0 0 ) 。k e l l 和g l e s e r ( 1 9 9 3 ) 研究认为气孔的运动过程受膜电压和细胞内外钙离 子活性调节。 1 2 - 3 植物适应干旱胁迫的分子机制 1 ) 干旱胁迫相关基因的变化 植物对干旱胁迫作出的生理反应来自胞内基因的合成或表达水平的变化( s h i n o z a k i 和 y a m a g u c h i s h i n o z a k i ，1 9 9 6 ：k r e b s ，2 0 0 2 ) 。干早胁迫诱导植物表达的基因涉及的范围很广，有 起到胁迫生理调节的关键酶的基因，也有l e a 蛋白基因和各种调控因子等。这些基因的表达与调 控使植物能够抵御干早胁迫所造成的伤害。在不同植物中，干旱胁迫诱导表达的基因有很大差异。 s e k i 等( 2 0 0 1 ) 使用大约1 3 0 0 个拟南芥全长e d n a 微阵列，来确定干旱诱导基因及控制胁迫诱导 基因表达的转录因子d r e b l a p c b f 3 ，共发现4 4 个干旱诱导基因，其中3 0 个新基因没有相关的报 道，这些基因的功能需要进一步的确定。这充分说明了干旱胁迫可以诱导表达的基因数量之多， 也反映出研究干旱胁迫诱导基因表达这项工作的复杂性。干旱诱导基因的产物可以被分成两类： 第一类包括保护细胞不被脱水的蛋白，如合成不同保护物质的酶，种子早期脱水反应蛋白( l e a 蛋白) ，抗冻蛋白，分子伴侣和解毒酶等( 1 n g r a m 和b a r t e l s ，1 9 9 6 ；s h i n o z a k i 和y a m a g u c h i s h i n o z a k i ， 1 9 9 7 ；b r a y ，2 0 0 2 ) 。第二类包括转录因子，蛋白激酶和参与磷酸肌醇代谢的酶( s h i n o z a k i 和 y a m a g u e h i - s h i n o z a k i ，1 9 9 7 ) 。r a m a n j u l u 和b a r r e l s ( 2 0 0 2 ) 根据反映时间范围不同把干旱反应基 因分成两类：一类基因在秒或分的很短的范围内迅速做出反应另一类则在小时、天甚至周的较 长时间尺度上做出反应。 2 ) 干旱胁迫信号途径 4 中国农业 学障上学位论z 第一章文献鞴盎 怕围绕形成的孔，在控制气体交换尤其是二氧化碳的吸收和水分的蒸腾散失上且有1 f 常重要的作 ( w i n m e r 和f r i e k e r ，1 9 9 6 ：j o n e s 等，1 9 9 8 ，2 0 0 3 ：s a l l e o 等，2 0 0 0 ：h e t h e r i n g t o n 和w o o d w a r d - 2 0 0 3 ：v a v a s s e u r 和r a g h a v e n d r a ，2 0 0 5 ) 。气孔对全球水分和二氧化碳循环具有重要贡献据估 计每年有4 4 0 x 1 0 ”k g 蝴3 2 x l o ”k g 水蒸汽经过气 l 进行交换( c i a i s ，1 9 9 7 ：j a c k s o n 等， 2 0 0 1 ) 。气孔周隔的非气孔结构一表皮细胞对气孔运动和植物与人气的气体交换也是必需的( s e m a ：, f q l f e n o l l 2 0 0 0 ) 。 气孔开度的调节对于植物抵御十旱胁迫具有重要意义。气孔开度大小受嗣绕气孔的保卫细胞 控制( h e t h e d n g t o n 和w o o d w a r d ，2 0 0 3 ；b l a t t ，2 0 0 0 ；b u c k l e y ，2 0 0 5 ) 。在干早胁迫下，植物 通过控制气孔开度防止水分过度散失。当水分亏缺时气孔对水压和化学信号做出反应。水压信 号涉及木质部压力势变化和保卫细胞与其它表皮细胞水分含量的变化( b l a c k m a n 和d a v i e s ，1 9 8 5 ： t b 玎i e 曲d 删i 髓1 9 9 3 ；w h i t e h e a d ，1 9 9 8 ；t h o m a s 和e a m u s ，1 9 9 9 ) 。大量，k 分和离子濠经保卫 细胞和邻近的表皮细胞引起膨压变化，随着这种渗透驱动的膨压的漂移，细胞体积和表面积发生 变化，形状改变，从而促使气孔开放或关闭( s e m a f g l f e n o l l ，2 0 0 0 ；r o e l f s e m a 手i l h e d r i c h 。2 0 0 5 ； t a n a k a 等，2 0 0 5 ) 。早期的研究表明，在很多物种中，当植株大多数叶片水势选到。时气孔关闭 ( k u s a k a 等2 0 0 5 ) 。在一些物种中引起气孔关闭的大多数叶片水势低干0 ( b e a d l e 等，